V tomto blogovom príspevku preskúmame, čo znamená kolaps vĺn, so zameraním na kodanskú interpretáciu a interpretáciu mnohých svetov medzi rôznymi interpretáciami kvantovej mechaniky a zvážime charakteristiky a obmedzenia každej interpretácie.
Od konca 19. storočia do začiatku 20. storočia sa začali objavovať javy, ktoré sa nedali vysvetliť len klasickou fyzikou. Maxwell a Einstein objavili, že svetlo má vlnové aj časticové vlastnosti. Max Born predpovedal, že aj častice majú vlnové vlastnosti. Davisson-Germerov experiment s dvojitou štrbinou údajne experimentálne preukázal, že elektróny sa správajú vlnovo. Bližší pohľad na experiment s dvojitou štrbinou odhalí nasledovné: Zariadenie, ktoré emituje elektróny, doska s dvoma štrbinami a tienidlo sú usporiadané postupne. Elektróny emitované zo zdroja elektrónov prechádzajú cez dve štrbiny a dosahujú tienidlo; keď sa pozoruje príchod elektrónov na tienidlo, objaví sa interferenčný obrazec. Takýto vzor sa neobjaví, ak je iba jedna štrbina. Preto sa poloha elektrónu musí vysvetliť ako vlna prechádzajúca súčasne oboma štrbinami. Kvantová mechanika sa objavila, aby vysvetlila tieto javy. V kvantovej mechanike sú pravdepodobnostné vlny opísané ako základné stavebné kamene prírody. Pravdepodobnostné vlny sa používajú na opis skupenstva hmoty. Skupenstvo hmoty zahŕňa vlastnosti, ako je poloha a rotácia. Pravdepodobnostná vlna naznačuje, že hodnota nie je fixná v žiadnom bode, ale že pravdepodobnosť jej výskytu sa v každom bode mení. Kvantová mechanika bola založená začiatkom 20. storočia a početné experimentálne výsledky z tohto obdobia a neskorších období podporujú platnosť tejto teórie. Jadrom tejto teórie je Schrödingerova vlnová rovnica. Schrödingerova vlnová rovnica, ako základná rovnica kvantovej mechaniky, opisuje, ako sa pravdepodobnostná vlna mení v priebehu času. Zostáva však nejasné, ako presne takéto pravdepodobnostné vlny súvisia s každodenným životom. V každodennom živote pozorujeme nie viacero stavov, ale jeden, jednoznačný stav – ako sa to dá vysvetliť? Čo je to pravdepodobnostná vlna a existuje spôsob, ako ju pochopiť? Na vyriešenie týchto otázok sa objavili rôzne interpretácie kvantovej mechaniky. V minulom prieskume, ktorý sa uskutočnil na konferencii o kvantovej fyzike, sa účastníkov pýtali na ich preferencie týkajúce sa každej interpretácie. Preferovanie kodanskej interpretácie bolo 42 %, kvantovo-informačnej perspektívy 24 % a interpretácie mnohých svetov 18 %. Ako vyplýva z prieskumu, kodanská interpretácia je v rámci fyzikálnej komunity hlavnou interpretáciou. Kodaňská interpretácia je interpretácia, ktorú od samého začiatku kvantovej mechaniky vyvinuli vedci na čele s Bohrom. Brian Greene predstavil základnú zásadu kodanskej interpretácie takto: „Vždy, keď sa pokúšame priamo pozorovať pravdepodobnostnú vlnu, samotný akt pozorovania ju naruší.“ Kodaňská interpretácia vysvetľuje, že v momente pozorovania už pravdepodobnostná vlna nemôže zostať v tomto stave a zrúti sa do jedného bodu. Vysvetľuje sa, že výsledkom tohto zhluku do jedného bodu je realita, s ktorou sme oboznámení. Tento proces sa nazýva kolaps vlny. Kvantová informačná perspektíva vysvetľuje, že samotný vesmír sa skladá z kvantovej informácie, ktorá tvorí samotnú podstatu vesmíru. Predpokladá, že všetko je výsledkom kvantových výpočtov zahŕňajúcich túto kvantovú informáciu. Z tohto pohľadu sa celý vesmír niekedy vníma ako stroj vykonávajúci kvantové výpočty. Seth Lloyd napísal knihu, ktorá presvedčivo argumentuje v prospech tejto perspektívy. V tejto knihe vysvetlil úlohu informácie a jej vzťah k skutočným fyzikálnym zákonom. Napríklad vysvetlil, ako kvantové výpočty majú tendenciu šíriť neznáme informácie a rozviedol fyzikálne zákony súvisiace s entropiou. Interpretáciu mnohých svetov navrhol Hugh Everett. Táto interpretácia neakceptuje kolaps vlnovej funkcie, ktorý je základom kodanskej interpretácie. Namiesto toho predpokladá, že vesmír sa rozvetvuje do viacerých svetov a všetky možnosti sú realizované. Vysvetľuje to teda, že v každom svete pozorovateľ vníma realitu, s ktorou sme oboznámení. Koncept kolapsu vlnovej funkcie – ktorý možno považovať za jadro kodanskej interpretácie – považujem za nepresvedčivý. Ako poznamenal Brian Greene, hranica definujúca to, čo predstavuje „pozorovanie“, je nejasná. Vysvetlenie znie asi takto: ku kolapsu vlnovej funkcie nedochádza, keď mikroskopické objekty interagujú navzájom, ale dochádza k nemu, keď pozorovateľ vykoná meranie; toto vysvetlenie je však ťažké prijať.
Je prirodzené predpokladať, že fyzikálne zákony platia univerzálne a rovnako v celom vesmíre. Keďže pozorovateľ je tiež súčasťou vesmíru, verím, že je prirodzené, že zákony kvantovej mechaniky platia rovnako pre všetky deje vrátane pozorovania. Kodanská interpretácia však vysvetľuje, že kolaps vĺn nastáva v dôsledku pozorovania pozorovateľom. Matematicky je kolaps vlny tiež operácia odlišná od bežných kvantovo-mechanických operácií. Hoci tu nemôžem podrobne vysvetliť proces, ktorým sa mení pravdepodobnostná vlnová funkcia, možno ju opísať ako operáciu zahŕňajúcu násobenie reverzibilnou maticou s určitými špeciálnymi vlastnosťami. „Reverzibilný“ znamená, že existuje jednoznačná korešpondencia medzi výsledkom a stavom, ktorý ho spôsobil. Keď však dôjde ku kolapsu vlnovej funkcie, táto korešpondencia je prerušená. Systém sa fixuje v jednom stave, čo znemožňuje obnovenie pôvodného stavu. V prípadoch, keď je povaha pozorovania kľúčová – napríklad v kodanskej interpretácii – sa niekedy zavádza koncept Heisenbergovho rezu. Táto koncepcia predpokladá, že zákony kvantovej mechaniky platia až do určitej hranice a za touto hranicou vlnová funkcia kolabuje. Táto hranica však nie je jasne definovaná. Mohlo by to byť stanovené na úrovni objektov, ako sú elektróny alebo protóny, alebo by to mohlo byť stanovené na úrovni makroskopických objektov, ako sú ľudia. Toto je neuspokojivé, pretože to nešpecifikuje, kde presne by mala byť táto hranica vyznačená. Známym príkladom, ktorý ilustruje túto situáciu, je Schrödingerov myšlienkový experiment s mačkou. V tomto myšlienkovom experimente sa objaví častica menšia ako atóm a mačka. Malá častica sa môže s určitou pravdepodobnosťou rozpadnúť, čo je proces, ktorý možno vysvetliť kvantovou mechanikou. Vedľa neho je umiestnené detekčné zariadenie. Hovorí sa, že v momente, keď sa takýto rozklad zistí, spustí sa mechanizmus, ktorý mačku zabije. To vyvoláva otázku, či je mačka v tej chvíli mŕtva alebo živá. Kodaňská interpretácia vysvetľuje, že stav mačky – či je živá alebo mŕtva – sa určí v okamihu jej pozorovania. Toto vysvetlenie je založené na predpoklade, že ani makroskopické objekty nezažívajú kolaps vĺn. Naznačuje to, že aj veľké objekty musia byť posudzované v rámci kvantovej mechaniky. V dôsledku toho existujú myšlienkové experimenty, ktoré túto situáciu posúvajú do ešte väčšieho extrému. V tomto myšlienkovom experimente predpokladáme, že kamarát vykonal Schrödingerov myšlienkový experiment s mačkou a pozoroval stav mačky. V takom prípade neposkytuje definitívne vysvetlenie, na ktorej hranici by sa vlnová funkcia mala považovať za kolapsovanú. Pokiaľ ide o túto hranicu, niektorí považujú rozsah vedomostí pozorovateľa za kľúčový a hovorí sa, že to súvisí s pravdepodobnosťou. Kodanská interpretácia má však výhodu v tom, že ľahko a jasne vysvetľuje výsledky pozorované pozorovateľom. V skutočnosti veľmi dobre vysvetľuje výsledky rôznych experimentov. Stačí aplikovať kolaps vĺn v momente pozorovania experimentálnych výsledkov alebo pri interakcii s makroskopickými objektmi. Je to pohodlná interpretácia, ktorá nevyžaduje zohľadnenie kvantového stavu pozorovacieho zariadenia. Jedným z dôvodov jeho veľkého úspechu, napriek intuitívne ťažko akceptovateľnému výsledku kolapsu vĺn, je pravdepodobne jeho schopnosť dobre vysvetliť experimentálne výsledky. Práve preto, že kolaps vĺn je také neprirodzené vysvetlenie, verím, že interpretácia mnohých svetov by mohla byť schodnou alternatívou ku kodanskej interpretácii. Interpretácia mnohých svetov neuznáva kolaps vĺn. Hovorí sa, že ide o interpretáciu odvodenú výlučne so zameraním na Schrödingerovu vlnovú rovnicu. Keďže nepovažuje akt pozorovania za podriadený žiadnym špeciálnym zákonom, interpretuje proces jednoducho ako zmenu stavu vlny, ako je vidieť z vlnovej rovnice. Inými slovami, chápe sa, že keď sa uskutoční pozorovanie, vlna sa nezrúti; skôr pozorovateľ a objekt vstúpia do kvantovo-mechanicky previazaného stavu. Aby sme pochopili tento prepletený stav, pozrime sa na príklad z pohľadu interpretácie mnohých svetov, ktorá neuznáva kolaps vĺn. Spin elektrónu môže byť buď smerom nahor (↑), alebo smerom nadol (↓). Pozorovacie zariadenie je zariadenie, ktoré meria spin elektrónu. Predpokladajme, že okno zobrazenia stavu pozorovacieho zariadenia má tri možné stavy: hore (⟰), dole (⟱) a prázdne (). Pozrime sa na situáciu pred meraním. Spin elektrónu a okno zobrazenia stavu pozorovacieho zariadenia možno opísať ako vzájomne nezávislé pravdepodobnostné vlny. Elektrón nie je fixovaný ani hore (↑), ani dole (↓), ale je reprezentovaný pravdepodobnostnou vlnou. Meracia aparatúra by bola pre experiment nastavená na prázdny stav () a túto situáciu by reprezentovala pravdepodobnostná vlnová funkcia. Pozrime sa na situáciu po meraní. V tomto bode to už nemožno opísať ako nezávislé pravdepodobnostné vlnové funkcie. Celkový stav je namiesto toho opísaný jedinou pravdepodobnostnou vlnovou funkciou, ktorá zahŕňa elektrón aj meracie zariadenie.
Konkrétne je reprezentovaná jedinou pravdepodobnostnou vlnovou funkciou, ktorá popisuje iba dve možné situácie: jednu, kde je spin elektrónu smerom nahor a stavové okno pozorovacieho zariadenia ukazuje „hore“ (↑⟰), a druhú, kde je spin elektrónu smerom nadol a stavové okno pozorovacieho zariadenia ukazuje „dole“ (↓⟱). Tento jav, pri ktorom viacero štátov už nie je nezávislých, sa opisuje ako „prepletenie“. Interpretácia mnohých svetov ide ešte o krok ďalej. Pri pohľade na vyššie uvedený príklad existujú dve možné situácie (↑⟰, ↓⟱). Interpretácia mnohých svetov vníma svet ako rozdelený na tieto dva stavy. To znamená, že v jednom svete nastáva situácia ↑⟰ a v inom svete nastáva situácia ↓⟱. Hovorí sa, že po preskúmaní Schrödingerovej rovnice nie je s týmto pohľadom žiadny väčší matematický problém. Ak oddelíme možné stavy na základe výsledkov pozorovaní a interpretujeme každý výsledok ako samostatný svet, ide presne o interpretáciu mnohých svetov. Každá udalosť, ktorú možno považovať za pozorovanie, sa teda vníma ako udalosť, v ktorej sa svety rozdeľujú. V dôsledku toho sa v každom svete realizuje každá kvantovo mechanicky uskutočniteľná možnosť. Aspekt interpretácie mnohých svetov, ktorý ma najviac zaujme, je to, že nepovažuje akt pozorovania za niečo zvláštne. Keďže aj pozorovateľ je vnímaný ako súčasť sveta podliehajúceho rovnakým zákonom kvantovej mechaniky, považujem túto interpretáciu za univerzálnejšie použiteľnú. Interpretácia mnohých svetov však čelí mnohým kritikám. Neexistuje presvedčivé vysvetlenie, čo znamená, že sa svet rozdelil na viacero svetov. Navyše, tvrdenie, že existuje viacero svetov, je samo o sebe bizarné. Ak sú svety vytvárané nepretržite donekonečna, neexistuje spôsob, ako vysvetliť, ako je možné, že ich toľko dokážeme sledovať. Okrem toho, ak sú rôzne svety úplne oddelené a nemôžu sa navzájom ovplyvňovať, dalo by sa tvrdiť, že z pohľadu pozorovateľa je existencia iných svetov úplne bezvýznamná. Z tohto hľadiska samotná interpretácia stráca zmysel. Okrem toho, v rámci interpretácie mnohých svetov je stále potrebné riešiť niekoľko problémov. Po prvé, jednou z úloh, ktoré je potrebné riešiť, je poskytnúť primerané vysvetlenie toho, aký svet bude skutočný pozorovateľ vnímať. Musí existovať aj spôsob, ako opísať javy z pohľadu pozorovateľa – a nie z pohľadu celku – aby sme vysvetlili javy, ktoré pozorujeme v každodennom živote. Je to preto, že priamo nepozorujeme pravdepodobnostné vlny, ale iba ich výsledky. Kodanská interpretácia tento aspekt jasne vysvetľuje. Kodanská interpretácia tvrdí, že svet, ktorý pozorujeme, sa realizuje prostredníctvom kolapsu vlnovej funkcie a prináša výsledky, ktoré sú v súlade s realitou. Okrem toho by mala byť interpretácia mnohých svetov schopná vysvetliť kodanskú interpretáciu. Ak je interpretácia mnohých svetov správna, mala by byť schopná vysvetliť – z vlastnej perspektívy – ako všetky doterajšie experimentálne výsledky zodpovedajú predpovediam kodanskej interpretácie. Okrem toho musíme určiť, za akých okolností môžu medzi týmito dvoma interpretáciami vzniknúť rozdiely. Preto je aj vytvorenie súvislosti s kodanskou interpretáciou veľkou výzvou. Nepodporujem koncept kolapsu vĺn podľa kodanskej interpretácie, pretože nie je jasné, kedy presne by sa mal uplatniť, a prax izolácie merania ako samostatného procesu považujem za problematickú z hľadiska univerzálnosti. Namiesto toho si myslím, že by sme si mali zachovať perspektívu, že celý vesmír možno v kvantovej mechanike opísať ako pravdepodobnostnú vlnu a že pozorovateľ je tiež jej súčasťou. Preto si myslím, že Interpretácia mnohých svetov a podobné teórie by mohli slúžiť ako alternatívy. Ako však už bolo spomenuté, aj s týmito interpretáciami pretrváva niekoľko problémov. Ako dokazujú výsledky prieskumu, do ktorého boli zapojení fyzici, zatiaľ sa nedospelo k žiadnemu definitívnemu záveru o interpretácii kvantovej mechaniky. Niektoré z existujúcich interpretácií boli v minulosti vyvrátené experimentmi. Pre kodanskú interpretáciu ani pre interpretáciu mnohých svetov však zatiaľ neboli vykonané žiadne takéto experimenty. Je možné, že jedného dňa budú vyvinuté experimentálne návrhy schopné skutočne preukázať rozdiely medzi týmito interpretáciami. Prípadne môžeme nakoniec dospieť k záveru, že všetky tieto interpretácie sú rovnako platné. Preto verím, že s prehlbovaním nášho chápania fyzikálnych zákonov sa otvoria nové možnosti interpretácie kvantovej mechaniky. Bude fascinujúce sledovať, ako sa tento proces vyvíja.
